ДРЕВЕСИНА ДЛЯ ПОЛА: ПОРОДЫ, ВЛАЖНОСТЬ, ТЕРМОМОДИФИКАЦИЯ
advertisement
ДРЕВЕСИНА ДЛЯ ПОЛА: ПОРОДЫ, ВЛАЖНОСТЬ, ТЕРМОМОДИФИКАЦИЯ РАУФ МАНБЕКОВ, ведущий специалист ОАО «Гипролеспром», paraffin-2000@mail.ru В статье сделана попытка краткого и по возможности - системного обзора вопросов выбора древесины для пола с учётом физико-механических свойств пород, видов распила и обработки заготовок. Рассматривается также зависимость геометрии планок напольных покрытий от влажности воздуха и возможности стабилизации их свойств, в том числе - путём термомодификации древесины. Статья может представлять интерес для изготовителей напольных покрытий, строителей, менеджеров по продаже напольных покрытий, а также для индивидуальных застройщиков. Материалы для напольных покрытий занимают особое место среди всех строительных деревянных материалов. Это определяется тем, что они, находясь внутри помещений и являясь частью интерьера, должны сохранять неизменно привлекательный вид, несмотря на то, что из всего интерьера, именно они подвергаются самому интенсивному износу, самым жёстким механическим и влажностным нагрузкам, усугубляемым периодическим характером этих нагрузок, связанным с условиями эксплуатации напольных покрытий и ухода за ними. Поэтому основными требованиями, предъявляемыми к этим материалам, являются: - механическая прочность; - устойчивость к изменению влажности; - устойчивость к гниению; Для производства напольных покрытий используется древесина, как хвойных пород, так и твердолиственных. На территории РФ среди хвойных пород для изготовления половой доски наибольшее употребление нашли сосна, ель и лиственница. Среди твердолиственных пород наиболее широкое применение получили дуб и бук. Для лучшего понимания областей наиболее целесообразного использования этих пород для напольных покрытий рассмотрим более подробно их свойства (использование редких и иноземных пород не является массовым и в данной статье не рассматривается, оценить их пригодность можно сравнением их характеристик с приводимыми ниже.). 1. Дендрологическая справка [1]. Лиственница (Larix). Самая распространенная в России порода – на её долю приходится 2/5 всей покрытой лесом площади и 1/3 всех запасов древесины нашей страны. Наибольшее хозяйственное значение имеют лиственница даурская (гмелина) – L. dahurica (gmelinii) – произрастает на Дальнем Востоке и Восточной Сибири, и лиственница сибирская – L. sibirica – произрастает в Западной и частично в Восточной Сибири. В Карпатах и Прибалтике произрастает лиственница европейская (L. deciduas Mill). Древесина лиственницы имеет ядро красновато-бурого цвета, резко отграниченную узкую белую или слегка желтоватую заболонь (находящийся непосредственно под корой растущий более светлый слой древесины толщиной 1-2 см, за которым следует более плотное ядро, используемое как деловая древесина), хорошо видимые годичные слои, малочисленные и мелкие смоляные ходы. Древесина обладает высокой плотностью и прочностью, малосучковата, стойка против гниения, практически не подвержена повреждению насекомыми, имеет красивую структуру. Древесина лиственницы легко растрескивается при сушке, легко раскалывается, труднее других хвойных пород обрабатывается на станках, требуются специальные меры для предотвращения засмаливания пильных полотен при распиловке брёвен. Сосна (Pinus) занимает около 1/6 площади всех лесов. Наиболее распространена сосна обыкновенная (P. Sylvestris L.). 2 Древесина сосны имеет слегка розоватое ядро, которое со временем становится буровато-красным, широкую заболонь от жёлтого до розоватого цвета, хорошо видимые годичные слои, довольно крупные и многочисленные смоляные ходы. Древесина средней плотности, достаточно высокой прочности и стойкости против гниения, хорошо обрабатывается. Древесина сосны очень похожа на древесину лиственницы (т.к. лиственница относится к семейству сосны), однако древесина сосны светлее, мягче и легче. К семейству сосны относится также и кедр, однако древесина его мягкая как у пихты и потому в напольных покрытиях он не используется, к тому же рубки его ограничены. Ель (Picea) занимает примерно 1/8 часть покрытой лесом площади. Наиболее распространены ель обыкновенная – P. abies или P. exelsa – в европейской части, и ель сибирская – P. obovata – произрастающая от Урала до Приморья. Ель – безъядровая порода с древесиной белого или слабо жёлтого цвета. Годичные слои хорошо заметны, смоляные ходы малочисленные и мелкие. По прочности, плотности и стойкости против гниения древесина ели несколько уступает сосне. Кроме того, она труднее обрабатывается из-за обилия сучков и повышенной их твёрдости. Однако древесина ели однородного строения, малосмолиста, имеет устойчивый белый цвет, длинные волокна. Пихта (Abiec). Наиболее распространены: пихта сибирская, белокорая, сахалинская, кавказская и европейская белая. Древесина пихты очень похожа на древесину ели, отличаясь от неё отсутствием смоляных ходов. Наибольшей прочностью обладают пихта кавказская и европейская, другие виды пихты в связи с их пониженной прочностью в некоторых изделиях не допускаются. Дуб (Quercus). Из 19 видов, произрастающих в европейской части региона наибольшее распространение получил дуб черешчатый или летний – Q. Robur L. Древесина дуба имеет ядро тёмно-бурого или желтовато-коричневого цвета и узкую желтовато-белую заболонь. Годичные слои и широкие сердцевинные лучи хорошо заметны на всех разрезах. Древесина прочная, стойкая против гниения, хорошо гнётся, имеет красивую текстуру и находит многообразное применение. Из рассматриваемых пород дуб наиболее консервативен к влаге – он набирает её также медленно, как и отдаёт при сушке. Ясень (Fraxinus). Наиболее распространён ясень обыкновенный - F. excelsior L. По своему виду и свойствам он очень близок к древесине дуба, поэтому область его применения такая же, как и у дуба. Ясень хорошо гнётся и не дает отщепов. Бук (Fagus). В рассматриваемом регионе произрастает преимущественно бук восточный – F. Orientalis Lipsky на Кавказе и в Крыму, а также бук лесной или европейский, - F. Sylvatica L. в Карпатах. Бук – безъядровая порода. Древесина белая с желтоватым или красноватым оттенком. Годичные слои хорошо видны. Сердцевинные лучи широкие, на радиальном разрезе они имеют вид блестящих полосок, а на тангенциальном – коричневатых чечевичек, создающих характерный крапчатый рисунок. Древесина бука имеет высокую прочность, красивую текстуру (особенно на радиальном разрезе), лучше других твердолиственных пород гнётся, но активно поглощает влагу из атмосферы и малостойкая к гниению. Находит многообразное применение (гнутая мебель, строганый шпон, паркет и др.) 2. Физико-механические свойства пород. Основные физико-механические и химические характеристики рассмотренных пород древесины, определяющие их пригодность для производства половой доски, приведены в табл. 1 [1]. 3 Таблица 1. Породы Наименование параметра (при влажности 12%) Хвойные Лиственные Пихта Дуб сибир. Лиственница Сосна Ель Средняя плотность, кг/м3 Радиальная Статическая 2 твёрдость, Н/мм Тангенц-ая 665 31,5 505 22,5 445 17,5 375 15,1 690 680 54,5 53,2 680 57,1 33,4 23,2 17,8 14,2 47,5 49,5 65,1 Износостойкость поверхности (истирание), мм Радиальная 0,17 0,31 0,24 0,26 - 0,17 0,17 Тангенц-ая 0,14 0,28 0,24 0,3 - 0,14 0,14 0,19 0,17 0.16 0,11 0,18 0,17 0,18 0,35 0,28 0,28 0.28 0,27 0,32 0,28 5,3 4,1 3,9 3,2 7,6 7,6 8,9 109 85 79 68 103 104 118 9,1 4,6 3,6 3,8 5,2 3,3 4,9 - 4-6 3-4 3,5-5 Коэффициент Радиальной, Кр усушки, %/% влажности Тангенц-ой, Кт древесины Ударная вязкость Дж/см2 Предел прочности при статическом изгибе, МПа Относительная стойкость к гниению Относительная цена сухой доски, Московская обл. (ориентировочная) 1,7 1 (1,3– 0,8ангар.) 0,9 Бук Ясень Данные в таблице иллюстрируют известную зависимость основных прочностных характеристик древесины (статическая твёрдость, износостойкость, ударная вязкость и других) от плотности материала, и потому для получения более высокой прочности необходимо выбирать более тяжёлые породы. В пределах одной породы её плотность и прочность растут с ростом количества годичных слоёв (годовых колец), приходящихся на единицу длины по радиусу. В свою очередь количество годичных слоёв на 1 см радиуса определяется географическими и климатическими условиями произрастания – более суровые условия определяют меньшую толщину колец. Эта зависимость представлена в табл. 2 [1]. Таблица 2. Порода Лиственница сибирская Сосна обыкновенная Ель обыкновенная Ель сибирская Дуб черешчатый Район произрастания Западная Сибирь Восточная Сибирь Север европейской части Западная Сибирь Восточная Сибирь Север европейской части Западная Сибирь Центральные районы европейской части Число годичных слоёв в 1 см 5,5 13,5 11,8 6,9 11,2 12,1 6,5 5,5 Плотность древесины зависит также и от густоты насаждения в местах произрастания, что иллюстрируется в табл. 3 [1]. 4 Таблица 3. Насаждение Средняя плотность древесины ели, кг/м3, по категориям деревьев господствующим согосподствующим угнетённым Редкое 430 451 462 Густое 451 466 475 Таблицы 2 и 3 наглядно подтверждают различие плотности и качества древесины одной и той же породы в лесах различных регионов России. Так, наиболее высоким качеством древесины отличаются лесные массивы сосны, расположенные вдоль реки Ангары. Холодный сибирский климат, безветрие, песчаные почвы, достаточно плотная густота ангарских древостоев обусловливают малую толщину годичных слоёв и как следствие - высокие плотность и прочность древесины, наименьшую сучковатость и сбежистость ствола. Большое количество экстрактивных веществ определяет высокую стойкость к грибковым поражениям и гнилостным процессам. Эти качества определяют высокую коммерческую ценность этой древесины, именуемой среди деревообработчиков ангарской сосной. Ангарские леса относятся к лучшим эксплуатационным лесам Сибири. Ценится также и северная (архангельская) сосна. Древесина сосны из средней полосы является более рыхлой и соответственно – менее твёрдой. Помимо плотности древесины и количества годичных слоёв, приходящихся на 1 см радиуса, эксплуатационные свойства различных пород древесины, используемых в напольных покрытиях, определяются также различием физико-механических характеристик ранней и поздней древесины в годичных слоях. Некоторые из этих характеристик представлены в табл. 4 [3]. Порода древесины Лиственница Сосна обыкновенная (ядро) Сосна обыкновенная (заболонь) Дуб Бук Зона древесины годичного слоя Плотность, Микротвёрдость, кг/м3 МПа Таблица 4. Модуль упругости при вдавливании, МПа 680 2450 ранняя поздняя 380 960 20,1 134,2 ранняя 382 20,6 653 поздняя 863 112,0 1960 ранняя 328 15,1 594 поздняя 832 94,8 1304 ранняя поздняя сердцевинные лучи ранняя поздняя сердцевинные лучи 630 825 52,4 92,7 1250 1800 745 75,0 2097 650 770 57,0 84,2 645 1153 772 84,2 1247 Из данных таблицы видно, что у хвойных пород различие физико-механических характеристик ранней и поздней древесины в годичных слоях выражено гораздо сильнее, чем у лиственных пород и, например, по твёрдости различие достигает почти 7-кратного значения – у хвойных пород и всего 2-кратного – у лиственных пород. По этой причине 5 износ поверхности пола у покрытий из хвойных пород происходит как бы слоями (у досок тангенциального распила) с ярко выраженными ступенчатыми переходами от одного позднего слоя к другому в связи с более быстрым истиранием находящихся между ними рыхлых слоёв ранней древесины. При шлифовке поверхностей с тангенциальным распилом у хвойных пород также труднее достичь отсутствия провалов по границам срезов поздних слоёв древесины. Из распространенных твердолиственных пород бук обладает наибольшей однородностью свойств древесины в ранних и поздних слоях (менее других пород склонен к «расслаиванию» при механической обработке - т.е. является породой с более «цельной натурой»), соответственно имеет наиболее равноплотную структуру поверхности после обработки, что вместе с наименьшим среди рассматриваемых пород значением анатомических микронеровностей делает его наилучшим материалом для изготовления мебели и резных изделий. Можно также отметить, что твёрдость заболонных годичных слоёв у сосны на 15-25% ниже, чем в ядровой древесине. Это различие не представляется принципиальным, но всё же предпочтительнее избегать наличия заболони на «лицевых» сторонах половых досок, тем более, что заболонь не только уступает ядровой древесине по механическим характеристикам, но имеет также более низкую устойчивость к гниению и заметно отличается по цвету от ядра, нарушая общую цветовую тональность покрытия. Аналогичные недостатки имеет заболонь у других ядровых пород. Из информации табл. 1 и 4 очевидно следует, что с точки зрения эксплуатационных характеристик наиболее подходящим материалом для производства половой доски является дуб. Однако с учётом его малой распространённости и в связи с его высокой ценой (до 30-40 тыс. руб. за м3 сухой доски) подобное его использование весьма ограничено – он больше находит спрос у потребителей, чьё кредо - «Мы за ценой не постоим!». Благодаря своим наивысшим свойствам среди остальных пород средней полосы дуб в сознании у людей издавна является символом прочности, надёжности и неизменности. Говоря о дубе, нельзя не упомянуть о такой его разновидности, как морёный дуб, который образуется из обычного дуба после его пребывания без доступа кислорода в воде или глубоко в земле в течение 300…1000 лет и более(!) – а до этого он прожил на земле ещё 300-350 лет. Происходящие во влажной безвоздушной среде физико-химические процессы приводят к тому, что древесина дуба темнеет и приобретает цвет от различных оттенков коричневого (за 300…500 лет морения) до пепельно-чёрного с фиолетовым отливом и серебристо-седыми прожилками. Воздействие красоты морёного дуба многократно усиливается сознанием того, что прикасаясь к нему, вы, возможно, прикасаетесь к тому дубу, под которым останавливался во время своих боевых походов Иван Грозный и к которому он, возможно, тоже прикоснулся… более 450 лет назад, или который «видел» Куликовскую битву (более 600 лет назад), или же был свидетелем крещения Руси (более 1000 лет назад)… Морёный дуб в вашем доме – это свидетель истории, пронёсший себя и свою память сквозь мглу веков, сквозь влажный мрак и холод, и который может теперь ощущать тепло ваших рук. Морёный дуб, как никакой другой материал в мире, обладает собственной огромной энергетикой, несёт в себе огромный культурно-исторический потенциал, и в этом с ним не сравнятся никакие даже самые экзотические породы. Морёный дуб – пиломатериал №1 в мире, в промышленных объёмах его запасы есть только в странах бывшего СССР [11]. Цена морёного дуба многократно превышает цену обычного дуба и всё время растёт, запасы его ограниченны и невосполнимы, поэтому в настоящее время морёный дуб для напольных покрытий практически не применяется (за исключением художественного паркета) и в основном используется для изготовления эксклюзивной мебели. Однако привлекательность его столь велика, что разработана технология искусственного морения дуба. На кафедре сушки древесины МГУ леса (г. Мытищи) владеют технологией, позволяющей на экспериментально-промышленной установке получать дуб искусственного морения со стабильным серо-чёрным цветом по всей толщине заготовки (фото 1), при этом у 6 него отсутствует хрупкость, присущая морёному дубу (по своим физико-механическим характеристикам морёный дуб, образно говоря, находится где-то между обычным дубом и фарфором). Имеющиеся на кафедре технологии позволяют также придавать и другие цвета твердолиственным породам по всему массиву – так, например, большое впечатление производит клён серебристолунного оттенка. Использование подобных технологий даёт большой простор при выборе дизайнерских решений для деревянных напольных покрытий. Из морёных пород известна также берёза, имеющая древесину жёлтокоричневых оттенков, но распространения Фото 1. Дуб искусственного морения. она пока не нашла. Ясень ввиду близости по своему строению и по своим свойствам к дубу может быть использован для изготовления напольных покрытий также успешно, как и дуб. По внешнему виду ясень очень похож на дуб, но более светлый, поэтому полы и интерьер из ясеня делают помещение более светлым, чем при отделке дубом. Представляется, что ясень у нас незаслуженно обойден вниманием. Также широко распространенный среди твердолиственных пород бук вследствие способности более быстро по сравнению с дубом впитывать влагу является чувствительным к влажности окружающего воздуха, соответственно, больше по абсолютной величине, чем дуб изменяет при этом свои геометрические размеры и поэтому годится для покрытий пола только в помещениях со строго контролируемой влажностью (если во влажную погоду оставить открытым окно в комнате с буковыми паркетом, то к концу дня паркет, набрав влагу и разбухнув, может вздыбиться). Для массового производства покрытий пола наиболее оптимальным материалом с точки зрения максимального значения соотношения «Качество/Цена» является лиственница, уступающая дубу только по твёрдости. Не случайно лиственница была выбрана в качестве покрытия велотрека в Крылатском, построенном к открытию Олимпиады-80 в Москве. В то время этот велотрек был самым быстрым в мире. Среди пород, произрастающих в РФ, лиственница обладает также наивысшей устойчивостью против гниения, вдвое превосходя по этому параметру дуб. Именно это её свойство явилось причиной общеизвестного исторического факта – «Вся Венеция стоит на сваях из лиственницы!.. До сих пор!». При длительном нахождении в воде лиственница не гниет, а каменеет (по сути – становится морёной). Известно немало примеров многовековой сохранности лиственницы также и в строениях. Пол из лиственницы, также как и из дуба, будет практически вечным. Более высокая, чем у дуба прочность на изгиб делает лиственницу наилучшим материалом для изготовления лаг для пола и потолочных перекрытий (возможно, именно по этой причине балки потолочных перекрытий в Манеже были сделаны из лиственницы). Схожесть лиственницы по многим физико-механическим параметрам с дубом, и даже превосходство по некоторым из них, даёт основания назвать лиственницу «хвойным дубом». До недавнего времени лиственница мало использовалась в домостроении. Одной из причин этого в частности было то, что для неё не подходят «простые» методы строительства – лиственница, как и дуб, «не пускает» при забивании гвоздь, легко колется при этом, она заметно тяжелее сосны. Как и дуб, лиственница сложна в сушке, что вместе с трудностями в распиловке из-за высокой её смолистости и твёрдости определило более высокую цену на лиственничную доску по сравнению с сосновой доской при практически одинаковой цене пиловочника (бревна, пригодного для распила на доски). 7 Сосна является наиболее предпочтительным для массового потребления материалом с точки зрения её наибольшей доступности (в т.ч. по цене) и удобству в обработке - более мягкая древесина сосны позволяет достичь большей производительности обрабатывающего оборудования и большего времени между заточками его режущего инструмента. С другой стороны невысокая твёрдость сосны представляется минимально допустимой для массового производства покрытий для пола. Ель и особенно пихта являются малоподходящими материалами для пола ввиду их низкой твёрдости. Их целесообразно использовать в качестве дешёвого материала для несущих слоёв клеёной паркетной доски, верхний слой которой - ламель из твердолиственной породы. 3. Влияние колебаний влажности на свойства напольных покрытий. Отдельный интерес в деревянных покрытиях пола представляет зависимость поведения и свойств этих покрытий от влажности. В древесине различают воду свободную и связанную. Вода, находящаяся внутри клеток древесины и в межклеточном пространстве, удерживается только капиллярным взаимодействием и потому свободно «перетекает» по всем пустотам древесины – такая вода соответственно называется «свободной». Вода, находящаяся в стенках клеток, удерживается гораздо более прочными физико-химическими связями – соответственно такая вода называется «связанной». Снижение влажности древесины от свежесрубленной влажности (достигает весной 100-120% и более) до ~ 30% происходит за счет ухода удерживаемой меньшими силами свободной воды, при этом прочность и размеры древесины практически не меняются. После ухода свободной воды дальнейшее снижение влажности древесины (ниже ~ 30%) может происходить только за счет ухода связанной воды. С уходом связанной воды из стенок клеток древесины эти стенки утоньшаются и поперечные размеры досок начинают уменьшаться пропорционально уменьшению влажности древесины в соответствии с коэффициентом усушки (табл. 1). С уменьшением влажности возрастает также прочность древесины (примерно подобно тому, как сухая бумага прочнее мокрой) – так прочность на сжатие у сосны возрастает в ~ 3 раза при снижении влажности от 30% до 0% [1]. Аналогично повышается прочность у других пород, поэтому снижение влажности древесины – резерв повышения её прочности. Равновесная (установившаяся за длительное время) влажность древесины зависит от влажности окружающего её воздуха (практически независимо от наличия лакокрасочных покрытий [2], которые в большинстве своём - паропроницаемы) и от средней температуры, при которой эта древесина высушивалась. Для температуры воздуха ~ 20ºС зависимость вида: «Равновесная влажность древесины» = f («Влажность окружающего воздуха»), определяющая поглощение (сорбцию) древесиной влаги из воздуха и потому называемая кривой сорбции, для разных температур агента сушки представлена на рис. 1 [4, 8]. Из него видно, что для древесины, высушенной в обычной конвективной камере (температура агента сушки до 80°С), при уменьшении влажности воздуха, например, от 60% (летом) до 30% (зимой) влажность доски уменьшается на ~ 4%, что с учётом коэффициента усушки (табл. 1) дает уменьшение ширины доски на 4 х (0,2…0,3) = 0,8…1,2%, приводящее для доски шириной 100 миллиметров к усушке на ~ 1 мм. Результат этого - образование щелей между досками. С целью недопущения появления широких щелей обычно используют для пола доски шириной не более 125 мм. Для планок паркета шириной 40-60 мм щели от усушки в 1% будут соответственно меньше, но они все равно воспринимаются как брак укладки. С точки зрения учёта свойств древесины (не касаясь технологии её укладки) можно отметить следующие способы, позволяющие уменьшить или даже устранить появление щелей в напольных покрытиях: - рациональный выбор пород древесины и видов распила при изготовлении досок для пола и планок для паркета; 8 - использование для деревянных покрытий пола древесины с влажностью, оптимальной для данного помещения; - стабилизация влажности воздуха в помещении; - уменьшение зависимости влажности древесины от влажности окружающего воздуха. о Равновесная влажность при 20 С древесины, высушенной при разной температуре 20 30 29 28 27 26 80 24 100 23 22 120 21 Температура агента сушки, оС Влажность древесины, % 25 20 19 18 17 16 15 220 14 13 12 11 10 9 4,3% 8 7 6 0,5% 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Влажность воздуха, % Рис. 1. Кривые сорбции, для разных температур сушки 9 Рассмотрим эти способы подробнее. Первый способ. Из табл. 1 видно, что коэффициент усушки практически для всех пород древесины в радиальном направлении в 1,5…2 раза ниже, чем в тангенциальном направлении. Это – принципиальный результат того, что плотность ранней и поздней древесины в годичных слоях древесины существенно различается. Т.к. усушка древесины происходит из-за утоньшения стенок клеток древесины, то чем больше в единице объема дерева древесинного вещества (т.е. чем выше плотность древесины), тем больше его усушка. При усушке в радиальном направлении определяющую роль играет малая усушка рыхлой ранней древесины, т.к. она составляет до 70% объёма всей древесины в радиальном направлении, поэтому радиальная усушка – невысокая. В тангенциальном направлении усушка определяется стягивающим действием слоёв более плотной и жёсткой поздней древесины, которые вместе с собой стягивают и находящиеся между ними слои рыхлой ранней древесины. Соответственно, тангенциальная усушка, определяемая усушкой более плотной поздней древесины, выше, чем радиальная усушка. Стягивающее действие поздних годичных слоёв приводит в процессе сушки также и к поперечному короблению досок, величина которого меняется в зависимости от вида распила. При тангенциальном распиле (когда плоскость выпиливаемой доски как бы касается годовых колец) оно максимальное, т.к. со стороны доски, соответствующей наружной стороне бревна, годичные слои длиннее и пропорционально этой длине стягиваются при сушке больше, чем короткие годичные слои, выходящие на поверхность доски со стороны сердцевины - в результате доска за счёт большего укорочения ее поверхности со стороны коры выгибается в сторону сердцевины. При строго радиальном распиле (когда плоскость выпиливаемой доски совпадает с направлением радиуса в сечении бревна) поперечное коробление – нулевое, т.к. в этом случае стягивающее действие слоёв поздней древесины направлено поперёк плоскости доски и не может её покоробить – только даёт её большее утоньшение после сушки по сравнению с доской тангенциального распила. Разность между коэффициентами тангенциальной и радиальной усушек (Кт-Кр) называется параметром коробления [2], т.к. именно он определяет величину коробления, наибольшее его значение – у лиственницы. С учетом вышеизложенного с точки зрения уменьшения щелей и уменьшения коробления досок при изменении влажности воздуха доски радиального распила всегда предпочтительнее для изготовления напольных покрытий, чем доски тангенциального распила, хотя общепризнано, что доски тангенциального распила имеют более богатый и красивый рисунок среза годичных слоёв. Разные породы древесины имеют разные коэффициенты усушки, так, например, среди рассмотренных пород наиболее высокую тангенциальную усушку имеет лиственница – это её, пожалуй, единственный недостаток как материала для покрытий пола, однако по величине радиальной усушки она практически не отличается от остальных пород. Для уменьшения щелей в покрытиях пола предпочтительны породы со средней или более низкой усушкой. Помимо коробления досок пола во время эксплуатации разница тангенциальной и радиальной усушек может приводить к короблению в многократно большей степени во время их изготовления - при сушке заготовок в сушильных камерах (т.к. уменьшение влажности досок в процессе сушки многократно превышает колебания их влажности во время эксплуатации). Допущенное при сушке коробление может быть устранено только строганием, приводящим к перерасходу древесины. Предупредить коробление возможно только правильной укладкой сушильного штабеля [2]: обеспечением прижима досок путём пригруза штабеля сверху с усилием ~ 100-250 кг/м2 (что на практике делается редко); расстановкой прокладок между слоями досок в штабеле с интервалом не более 20-15 толщин досок. В процессе сушки из-за различной степени высыхания по глубине доски возникают напряжения, которые по толщине доски меняются по U-образному закону, симметрично возрастая от центра к поверхностям досок [1]. Если в процессе сушки эти напряжения не 10 были сняты и их остаточные значения велики, то при наличии локальных неоднородностей древесины их взаимно уравновешивающее действие нарушается, что приводит к дополнительному короблению высушенных досок. При острожке досок для уменьшения влияния этих напряжений на коробление целесообразно придерживаться правила: сострагивать одинаковую толщину с обеих сторон доски – при этом удаляются поверхностные – самые напряжённые слои древесины и обеспечивается взаимное уравновешивание уменьшившихся напряжений с обеих сторон доски (для досок тангенциального распила нет полной симметрии напряжений, но и для этого случая это правило в среднем - оптимально). Острожка преимущественно с одной стороны может привести к нарушению равновесия напряжений и в результате – к возникновению коробления. Следует также иметь ввиду, что в процессе поэтапного сострагивания поверхностных (самых напряжённых) слоёв покоробленной доски в результате снятия напряжений может исчезнуть и её коробление. Стелить пол из покоробленных досок недопустимо. Вид распила помимо влияния на коробление влияет также на устойчивость досок к истиранию. Так опыт многолетней эксплуатации пола из сосны на сцене одного из театров показал [10], что менее чем за 10 лет износ планок тангенциального распила превышает износ рядом лежащих планок радиального распила на величину до 2,5 мм. Разница износа древесины сучков и окружающей их ядровой древесины достигала 2 мм, влияние сучков на равномерность износа поверхности исчезало при глубине залегания сучков ниже 20 мм от поверхности доски. Получение досок преимущественно радиального распила требует использования пиловочника повышенного диаметра и специальных методов его распила на соответствующем оборудовании, что в целом повышает стоимость таких досок. Это повышение представляется умеренным, но при этом дополнительно нужна соответствующая организация распиловочного процесса. В последнее время все большее применение находят щадящие методы использования твердолиственных пород в напольных покрытиях, когда вместо массивной доски паркета (толщиной от 20 мм и выше) изготавливают паркетную доску, которая клеится из 3-х слоев – нижние из дешёвой хвойной породы и только верхний – ламель из твердолиственной древесины толщиной 3-6 мм. Это уже сравнимо с толщиной годичных слоёв и потому вышеописанные механизмы, определяющие значения радиальной и тангенциальной усушек, перестают работать – в этом смысле ламель приближается по своим свойствам к шпону и соответственно её усушка начинает определяться подложкой – средним слоем, который по волокнам ориентирован перпендикулярно относительно волокон твердолиственной ламели и нижнего слоя. Здесь средний слой сдерживает усушку/разбухание верхнего и нижнего слоёв, приближая паркетную доску по формостабильности к фанере. При достаточной толщине твердолиственной ламели паркетная доска допускает перешлифовку и даже циклёвку и по эксплуатационным и эстетическим характеристикам не уступает паркету (толщина, которого – от 15 мм и выше) и массивной доске паркета, но требует для изготовления гораздо меньше твердолиственного пиломатериала, что обеспечивает производство её в большем объёме по более низкой цене. По этой причине паркетная доска – наиболее перспективное направление развития производства напольных покрытий из твердолиственных пород. Варианты классификации паркетных покрытий по качеству древесины приведены в [12], виды отделочных покрытий – в [13]. Второй способ уменьшения усадки требует доведения влажности досок перед их укладкой до влажности, соответствующей равновесной влажности в месте их укладки. Длительными исследованиями [5] установлено, что в средней полосе РФ в отапливаемых помещениях равновесная влажность различна для разных зон помещения и для досок пола меняется в течение года в диапазоне 6-11% со среднегодовым значением 8%. Именно до этой конечной влажности следует сушить доски для пола (интересно отметить, что для мебели рекомендуемая по результатам исследований конечная влажность сушки 11 составляет 7%, а для окон и входных дверей – 9%. При укладке пола в неотапливаемых помещениях влажность досок должна составлять 12-14%, а для открытых площадок – до 18%). При незначительном отличии влажности досок от равновесной её иногда доводят до требуемой путём предварительного раскладывания будущего покрытия и выдерживания его некоторое время в помещении, где это покрытие будет укладываться. Рекомендацию использовать для напольных покрытий доски с влажностью, равной средней равновесной влажности в помещении правильнее отнести не к способу (который можно и не применять), а к технологическому требованию (которое надо выполнять всегда). При правильно налаженном производстве сухой половой доски соблюдение этого технологического требования не приводит к возникновению дополнительных затрат. Третий способ уменьшения щелей – стабилизация влажности воздуха в помещении – осуществляется с помощью увлажнителей или систем кондиционирования воздуха в помещениях и более уместен для помещений с дорогим художественным паркетом. Это – наиболее дорогой для Потребителя способ, но он – пока единственный из общеизвестных, позволяющий полностью предотвратить появление щелей. Этот способ можно отнести к «активной защите» досок от усушки, когда эта забота переложена на Потребителя и требует от него постоянной «активности». Четвёртый способ уменьшения зависимости размеров досок от влажности представляет особый интерес и заслуживает более подробного рассмотрения, т.к. предполагает изменение физических свойств древесины путём воздействия на неё высокой температуры во время сушки или после неё с помощью специальной термической обработки [6,14]. Получающуюся в результате древесину называют термомодифицированной или термодеревом («Thermowood» - heat treated wood). При термообработке параллельно происходят два процесса. Первый процесс – изменение у древесины кривой сорбции. Из анализа семейства кривых сорбции на рис. 1 становится очевидно, что с ростом температуры её обработки происходят следующие изменения свойств древесины: - с ростом температуры обработки древесины (с ростом температуры агента сушки) её кривая сорбции становится всё более пологой; - более пологий вид кривой сорбции определяет меньшее изменение влажности древесины при одинаковом изменении влажности воздуха. Так из рис.1 видно, что для древесины, высушенной в обычной конвективной камере (температура агента сушки – 80о С), перепад влажности воздуха с 30% до 60% вызывает перепад её влажности Δ = 4,3%, а для древесины, обработанной температурой 220ºС, тот же перепад влажности воздуха вызывает изменение её влажности всего на Δ < 0,5%, что в предположении неизменного коэффициента усушки Кусушки для такой древесины приведёт для доски шириной 100 мм к величине усушки равной: Δ х Кусушки х 100 мм = 0,5(%) х 0,2(%/%) х 100(мм) = 0,1 мм (т.е. усушка уменьшится в ~10 раз! Отсюда – ВЫВОД 1: «С ростом температуры обработки многократно повышается формостабильность древесины».); - смещение кривой сорбции вниз с повышением температуры обработки также определяет и меньшую равновесную влажность древесины при одной и той же влажности воздуха (так при влажности воздуха 60% равновесная влажность древесины снижается с 10,3% до 8,3% при увеличении температуры обработки с 80ºС до 120ºС, а после обработки древесины температурой 220ºС равновесная влажность снижается до 4%). А это в свою очередь значит, что требовавшийся раньше в ГОСТ пересчёт к одинаковой влажности результатов испытаний на прочность является некорректным, т.к. не позволяет учесть увеличение прочности древесины за счёт уменьшения её равновесной влажности, вызванного высокотемпературным воздействием (отсюда – ВЫВОД 2: «Повышение температуры обработки приводит к понижению равновесной влажности древесины и как следствие – к повышению её прочности»). Приведённые цифры также показывают, что при сушке древесины, предназначенной для эксплуатации при заданных температуре и 12 влажности воздуха, не существует одной-единственной равновесной влажности, т.е. «Конечная влажность, до которой должна высушиваться древесина, зависит от температуры процесса сушки» - это ВЫВОД 3; - при температуре обработки от 120ºС и выше практически ни при какой влажности воздуха влажность древесины не превышает 20% - т.н. «транспортной» влажности, при которой древесина уже не портится грибками (не синеет) в процессе транспортировки или плотного хранения (ВЫВОД 4: «Обработка древесины температурой от 120ºС и выше предотвращает её гниение во влажном воздухе»). Т.е. повышается биологическая устойчивость древесины, которой способствует также полная стерилизация древесины после воздействия таких температур. С точки зрения изготовления древесины для напольных покрытий основной целью термомодификации древесины является получение более пологого вида кривой сорбции, обеспечивающего: - уменьшение изменения геометрических размеров при изменении влажности воздуха; - уменьшение равновесной влажности древесины, приводящее к повышению ее прочности; - исключение достижения древесиной влажности, необходимой для развития грибков. Вторым процессом, происходящим при высокотемпературной обработке древесины, является общая тенденция изменения её свойств в сторону приближения их к свойствам древесного угля: - потемнение древесины; - уменьшение прочности древесины (в первую очередь - на скалывание) и повышение её хрупкости; - изменение химического состава древесины, делающего её практически «несъедобной» для грибков и в результате в десятки раз повышающее её биостойкость[15] ; - потеря веса вследствие изменения химического состава (приводящая как к потере прочности, так и к повышению теплоизоляционных свойств). В случае предназначения обрабатываемой древесины для напольных покрытий можно с учётом встречного действия обоих процессов выбрать температуру обработки, соответствующую сочетанию достижения желательной формостабильности с допустимым снижением прочности древесины (т.е. высокотемпературная обработка древесины – это компромисс, сводящийся к приобретению одних свойств за счёт потери других). Варианты изменения внешнего вида досок из сосны после воздействия разных о температур (от 120 С до 220оС с шагом 20оС) представлены на фото 2 [8]. Фото 2. Внешний вид досок из сосны после их термомодификации при разных температурах от 120 оС до 220оС (с шагом 20оС) В настоящее время, несмотря на значительное количество публикаций о термомодифицированной древесине, малодоступны источники, содержащие её количественные характеристики. Особый интерес представляет также возможность сравнительной оценки свойств обычной и термомодифицированной древесины для определения области наиболее эффективного использования последней. Для такого анализа 13 требуются результаты экспериментов, корректно учитывающих повышение прочности древесины за счёт снижения её равновесной влажности (без пересчета результатов к одинаковой влажности). Изменение некоторых свойств древесины сосны (при tº = 190ºC и 220°С – для ели) в зависимости от температуры термической обработки представлено в табл.5. Таблица 5. Температура обработки древесины Параметры 220°С (3 20°С 80°С 120°С 135°С 190°С часа) Равновесная влажность при влажности 11,2 10,3 8,3 _ 4,5 4 воздуха 60%, % Изменение равновесной влажности древесины при изменении влажности воздуха от 30% до 60%, % 4,6 4,3 3,7 _ _ Изменение ширины доски на каждые 100 мм при изменении влажности воздуха от 30% до 60%, мм 1,03 0,97 0,83 _ _ < 0,1 0,0 _ _ -0,4 -3,5 -8 0,0 _ +7,8 -4,2 +30 + 20 Удельная работа при ударном изгибе, % 0,0 _ -0,3 +5 _ -25 Предел прочности при скалывании вдоль волокон, % 0,0 _ -2,6 -6,3 - (30 ..40) _ Прочность на статический изгиб, % 0,0 _ -2,4 _ _ - 40 4 4 4 9 8 8 Изменение удельной плотности древесины, % Предел прочности при сжатии вдоль волокон, % Источник информации < 0,5 Из таблицы видно, что древесина, подвергнутая любой термической обработке, уже является термомодифицированной хотя бы в незначительной степени – она «запоминает» воздействие температуры изменением прежде всего своих влажностных свойств. Из сравнительного анализа данных таблицы также следует, что если при температурах до 135ºС практически не происходит потери веса и прочности (т.е. – потеря прочности во втором процессе еще компенсируется повышением прочности в первом процессе), то при 190ºС и выше потери прочности уже становятся существенными. С учетом этого и, принимая во внимание то, что изменение химического состава древесины (а значит и заметное изменение её свойств) начинается с температур 140-150ºС, можно условно термомодификацию при температурах до 140-150ºС назвать мягкой, а при более высоких температурах, приводящих помимо дальнейшего изменения кривой сорбции к заметным изменениям других свойств древесины – жёсткой. Представляется, что именно при переходе этой границы начинается реальный компромисс по «размену» одних свойств древесины на другие (потеря прочности и потемнение древесины «в обмен» на повышение биостойкости, формостабильности и поверхностной твёрдости). При использовании термомодифицированной древесины в напольных покрытиях этот компромисс представляется оправданным. Следствием понижения влажности и повышения хрупкости после высокотемпературной обработки является также повышенная пыльность и более высокая вероятность сколов и раскалывания термомодифицированной древесины в процессе её механической обработки [7; 8]. 14 Итоговое изменение основных свойств древесины в результате термомодификации с учётом знака их желательности выглядит следующим образом: - уменьшение до 10 раз и более разбухания/усушки (+); - увеличение в десятки раз устойчивости к гниению (+); - значительное потемнение цвета (-/+); - потеря прочности до 2 и более раз (в т.ч. – появление хрупкости) (-); - увеличение поверхностной твёрдости (+). Таким существенным изменением характеристик древесина «отзывается» на, возможно, самую жёсткую из всех известных обработку растительных материалов – воздействие паром под высоким давлением и с температурой до 220°C, подводящим её к грани термического разложения. Термомодифицированную древесину, испытавшую такие преобразования, образно говоря можно назвать «термомумифицированной». Но в то же время следует признать, что приведённая выше кратность изменения прежде всего первых двух наиважнейших свойств даёт основания говорить о термомодифицированной древесине как о новом материале, ценность которого состоит в том, что его новые свойства позволяют ему занять практически пустую и весьма востребованную нишу строительных материалов растительного происхождения (воспроизводимых) с «исправленными» характеристиками. Здесь также очень важно отметить, что достигается это без какого-либо химического воздействия на древесину, что гарантирует экологическую безопасность термомодифицированной древесины. Изменения от температуры важных для напольных покрытий конечной формостабильности и прочностных свойств у других пород (в т.ч. - твердолиственных) малоизвестны и их знание представляло бы практический интерес, в том числе - для Потребителей. Стоимость услуг по термомодификации древесины в настоящее время в РФ достигает 700-800 $/м3, за рубежом она примерно вдвое ниже. Стоимость оборудования для термомодификации ввиду его сложности начинается от 250 000 € и выше. Термомодификации на таком оборудовании можно подвергать и сырую древесину, но для экономии дорогого времени его работы обработке подвергают предварительно высушенную древесину. Однако, если термомодификация нужна только для тонирования твердолиственных пород в оттенки коричневого или нужно получить устойчивость древесины к гниению при любой влажности воздуха с максимальным сохранением её прочности, то достаточно ограничиться мягкой термомодификацией (до 140°С), которую можно проводить нагревом древесины в гидрофобной жидкости (масло, петролатум, парафин, …), совместив этот процесс с жидкостной сушкой древесины. В этом случае термомодификация становится попутным результатом сушки древесины, а стоимость такого оборудования в ~ 10 раз ниже и в пересчёте на производительность не превышает стоимости традиционной сушильной камеры. Жидкостная сушка-термомодификацция имеет следующие преимущества и возможности: - сушка проходит в режиме кипения и её длительность сокращается в ~ 10 раз (сосна 50 мм сохнет за 1 сутки, лиственница 30 мм – 2 суток, дуб 30 мм от 30% влажности – 1 сутки); - благодаря мягкой термомодификация появляется устойчивость древесины к гниению при любой влажности воздуха; - приобретая вышеупомянутую устойчивость к гниению, хвойные породы практически не теряют прочности, что весьма важно для строительства, и не темнеют, что позволяет создавать из них привычные глазу «светлые» интерьеры; - твердолиственные породы заметно темнеют по массиву и, приобретая «ореховые» оттенки, приближаются по цвету к твёрдым тёмным экзотическим породам; - благодаря упругой фиксации, а также - пропариванию КАЖДАЯ доска на выходе имеет геометрию чертёжной линейки. 15 Наиболее удобно такую сушку-термомодификацию проводить в парафине – при этом получается незамасленная чистая доска. Результаты сушки сосны, лиственницы и дуба в парафиновой камере представлены на фото 3–5. Пропитка древесины парафином, незаметная «на глаз» и «на ощупь», составляет не более 1-2 мм. При согласовании производительностей распиловочного оборудования, сушильной парафиновой камеры и четырёхстороннего строгального станка, работа такой деревообрабатывающей триады, доступной даже малому предприятию, будет при производстве погонажных изделий подобна работе конвейера, который, как известно, – доступный только заводам главный инструмент в снижении себестоимости продукции. Дополнительное преимущество такой скоростной обработки древесины – исключение её порчи в ожидании сушки благодаря исключению ожидания сушки. Доска для пола – идеальный продукт для такого производства. Фото 4. Лиственница 30 мм, высушенная в парафине от 50% до 8% влажности за 2 суток Фото 5. Дуб 30 мм, высушенный в парафине от 52% до 8% влажности за 4 суток Методы термической обработки древесины можно отнести к «пассивной защите», когда вопросы защиты досок от усушки в значительной степени решены Производителем и от Потребителя уже не требуется никаких усилий независимо от области использования древесины. В этом – особая ценность этих методов. Выводы. 1. Наилучшей породой для пола является дуб. 2. Наиболее подходящей древесиной для массового производства половой доски является лиственница. 3. Наилучший с точки зрения эксплуатационных характеристик вид распила досок для пола – радиальный. Фото 3. "Сосна 50 мм, высушена в парафине от 4. Жёсткая термомодификация 54% до 6% влажности за 1 сутки древесины позволяет до 10 раз и более уменьшить разбухание/усушку досок и в десятки раз увеличить устойчивость древесины к гниению ценой некоторой потери её прочности. 5. Технологии сквозного тонирования (химического или термического) позволяют существенно расширить цветовую палитру напольных покрытий. Литература: 1. Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. Издательство Московского государственного университета леса. Мытищи, Московская обл. 2002 г. 16 2. Кречетов И.В. Сушка древесины. Москва, издательство «Лесная промышленность», 1997 г. 3. Санаев В.Г. Физико-механические свойства элементов макроструктуры древесины. Строение, свойства и качество древесины. Симпозиум Координационного совета по современным проблемам древесиноведения. Москва – Мытищи. 13-17 ноября 1990 г. 4. Исследование влияния высокотемпературной сушки древесины на её прочность. Свердловск, 1960 г. 5. Гашкова А.К. Эксплуатационная влажность древесины. «Деревообрабатывающая промышленность», 1967 г, №7. 6. Термомодифицированная древесина. «Дерево.ru», 2005 г, № 4. 7. Работа с термодревесиной на предприятии. «Дерево.ru», 2005 г, № 5. 8. TermoWood. Справочник. Финская Ассоциации Термообработки Древесины. Интернет-сайт http://www.thermowood.fi . 9. Леонтьев Н.Л., Кречетов И.В., Царев Б.С., Болденков Р.П. Влияние высокотемпературной сушки древесины сосны на её физико-механические свойства. «Деревообрабатывающая промышленность», 1957г, № 6. 10. Ермолин В.Н. Влияние показателей макроструктуры на износостойкость древесины. Строение, свойства и качество древесины - 2004. Труды IV международного симпозиума РКСД. т. 1. СПб ГЛТА. 13-16 октября 2004 г. 11. Дупанов А.А.. Изделия из морёного дуба. «ЛесПромИнформ», 2006 г, №2. 12. Борисов И. Сортируем паркет. «Дерево.ru», 2007 г, № 6. 13. Корольков С.. Отделка паркета. «Дерево.ru», 2007 г, № 6. 14. Бодров Ю.. Превращение древесины в термодерево. «Дерево.ru», 2007 г, № 6. 15. Власов А. Термообработанная древесина – почти герметично запаянные поры. «Шпиндель», 2006 г., № 4. 16. Манбеков Р.Р. Выбор древесины для пола. «ЛесПромИнформ», 2006 г, №3.
